JP2013093268A - Wavelength conversion type light source device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、励起光源からの励起光を受けることによって波長変換された光を出射する波長変換型光源装置に関するものである。 The present invention relates to a wavelength conversion type light source device that emits wavelength-converted light by receiving excitation light from an excitation light source.
従来、液晶プロジェクタなどの画像投影装置の光源としては、ショートアーク型の高圧放電ランプが用いられている。而して、近年、発光ダイオードやレーザダイオードなどの固体発光素子を光源として用いた画像投影装置が提案されており、このような固体発光素子を用いた画像投影装置は、高電圧電源が不要であること、光源である固体発光素子の使用寿命が長いこと、耐衝撃性が優れていることなどの点で、高圧放電ランプを用いた画像投影装置と比較して有利である。
然るに、上記の画像投影装置においては、それぞれ赤色、緑色および青色の光を発する3種類の固体発光素子を用いることが必要となるが、発光量の高い緑色光を放射する固体発光素子がないため、画像投影装置の光源として十分な光量を得ることが困難である。
このような事情から、緑色の光を発する固体発光素子の代わりに、励起光源からの励起光(例えば青色の光)を受けて緑色の蛍光を発する蛍光体物質を含有する蛍光体層が透光性基板上に形成されてなる波長変換型光源装置が用いられている。
Conventionally, a short arc type high-pressure discharge lamp has been used as a light source of an image projection apparatus such as a liquid crystal projector. Thus, in recent years, an image projection apparatus using a solid light emitting element such as a light emitting diode or a laser diode as a light source has been proposed, and an image projection apparatus using such a solid light emitting element does not require a high voltage power source. In addition, the solid-state light emitting device as a light source is advantageous in comparison with an image projection apparatus using a high-pressure discharge lamp in that it has a long service life and excellent impact resistance.
However, in the above image projection apparatus, it is necessary to use three types of solid light emitting elements that emit red, green, and blue light, respectively, but there is no solid light emitting element that emits green light with a high light emission amount. It is difficult to obtain a sufficient amount of light as a light source for the image projection apparatus.
For this reason, instead of a solid-state light emitting device that emits green light, a phosphor layer containing a phosphor material that emits green fluorescence upon receiving excitation light (for example, blue light) from an excitation light source is transparent. A wavelength conversion type light source device formed on a conductive substrate is used.
然るに、蛍光体物質は、励起光を受けたときにその光エネルギーの一部を熱エネルギーに変換するものであるため、波長変換型光源装置においては、蛍光体層に局所的に励起光が照射されると、当該蛍光体が高い温度に発熱する結果、発光効率が低下する、という問題がある。
このような問題を解決するため、ガラス等よりなる円形基板上に蛍光体層が形成されてなる発光ホイールと、この発光ホイールを回転駆動する回転駆動機構とを備えてなる波長変換型光源装置が提案されている(特許文献1参照)。このような構成によれば、蛍光体層に局所的に励起光が照射されることが回避されるため、発光効率が低下することを抑制することができる。
However, since the phosphor substance converts a part of the light energy to heat energy when receiving the excitation light, in the wavelength conversion type light source device, the phosphor layer is locally irradiated with the excitation light. Then, as a result of the phosphor generating heat at a high temperature, there is a problem that the light emission efficiency is lowered.
In order to solve such a problem, there is provided a wavelength conversion type light source device including a light emitting wheel in which a phosphor layer is formed on a circular substrate made of glass or the like, and a rotation driving mechanism that rotationally drives the light emitting wheel. It has been proposed (see Patent Document 1). According to such a structure, since it is avoided that excitation light is locally irradiated to a fluorescent substance layer, it can suppress that luminous efficiency falls.
しかしながら、上記の変換型光源装置においては、面積の大きい発光ホイールや、これを回転駆動させるための回転駆動機構を搭載することが必要であるため、装置全体の構造が複雑で大型のものになる、という問題がある。 However, in the above conversion type light source device, it is necessary to mount a light emitting wheel having a large area and a rotation driving mechanism for rotating the light emitting wheel, so that the structure of the entire device is complicated and large. There is a problem.
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、蛍光体層を冷却することができ、これにより、高い発光効率が得られ、しかも、小型化を図ることができる波長変換型光源装置を提供することにある。 The present invention has been made based on the circumstances as described above, and an object of the present invention is to cool the phosphor layer, whereby high luminous efficiency can be obtained and the size can be reduced. It is an object of the present invention to provide a wavelength conversion type light source device capable of achieving the above.
本発明の波長変換型光源装置は、励起光源からの励起光を受けて波長変換する波長変換型光源装置において、
励起光源からの励起光が入射される励起光入射用窓部材と、この励起光入射用窓部材を介して入射された励起光を受けて蛍光を放射する蛍光体層と、この蛍光体層からの蛍光が出射される蛍光出射用窓部材と、前記励起光および前記蛍光を反射する光反射面が形成された光反射部材とを有すると共に、前記励起光入射用窓部材、前記蛍光出射用窓部材および前記光反射部材における光反射面に包囲されることによって、前記励起光および前記蛍光が交錯する波長変換空間が形成されてなり、
前記蛍光体層は、前記波長変換空間内における前記光反射部材の光反射面上に形成されており、
前記励起光入射用窓部材は、前記励起光を透過すると共に前記蛍光を反射する光学特性を有し、前記蛍光出射用窓部材は、前記蛍光を透過すると共に前記励起光を反射する光学特性を有することを特徴とする。
The wavelength conversion type light source device of the present invention is a wavelength conversion type light source device that receives excitation light from an excitation light source and performs wavelength conversion.
From the excitation light incident window member into which the excitation light from the excitation light source is incident, a phosphor layer that emits fluorescence upon receiving the excitation light incident through the excitation light incident window member, and from the phosphor layer A fluorescence emission window member from which the fluorescence is emitted, and a light reflection member on which the excitation light and a light reflection surface for reflecting the fluorescence are formed, the excitation light incidence window member, and the fluorescence emission window By being surrounded by the light reflecting surface of the member and the light reflecting member, a wavelength conversion space where the excitation light and the fluorescence intersect is formed,
The phosphor layer is formed on a light reflecting surface of the light reflecting member in the wavelength conversion space,
The excitation light incident window member has an optical characteristic of transmitting the excitation light and reflecting the fluorescence, and the fluorescence emission window member has an optical characteristic of transmitting the fluorescence and reflecting the excitation light. It is characterized by having.
このような波長変換型光源装置においては、前記光反射部材は、内周面に光反射面が形成された筒状のものであり、当該光反射部材における両端の開口を塞ぐよう、前記励起光入射用窓部材および前記蛍光出射用窓部材が配置されていることが好ましい。
また、前記光反射部材は、内面に光反射面が形成された凹部を有すると共に当該凹部に通ずる貫通孔を有し、当該光反射部材の貫通孔の開口を塞ぐよう、前記励起光入射用窓部材が配置され、当該光反射部材の凹部の開口を塞ぐよう、前記蛍光出射用窓部材が配置されていることが好ましい。
In such a wavelength conversion type light source device, the light reflecting member is a cylindrical member having a light reflecting surface formed on an inner peripheral surface, and the excitation light is blocked so as to close the openings at both ends of the light reflecting member. It is preferable that the incident window member and the fluorescence emitting window member are disposed.
The light reflecting member has a recess having a light reflecting surface formed on the inner surface and a through hole that communicates with the recess, and the excitation light incident window is configured to close the opening of the through hole of the light reflecting member. It is preferable that the fluorescent light emission window member is disposed so as to close the opening of the concave portion of the light reflecting member.
また、本発明の波長変換型光源装置は、励起光源からの励起光を受けて波長変換する波長変換型光源装置において、
内面に光反射面が形成された凹部を有する光反射部材と、この光反射部材の凹部の開口を塞ぐよう配置された、励起光源からの励起光が入射されると共に後記蛍光体層からの蛍光が出射される窓部材と、この窓部材を介して入射された励起光を受けて蛍光を放射する蛍光体層と、前記励起光および前記蛍光を反射する光反射面が形成された光反射部材とを有すると共に、前記窓部材および前記光反射部材における光反射面に包囲されることによって、前記励起光および前記蛍光が交錯する波長変換空間が形成されてなり、
前記蛍光体層は、前記波長変換空間内における前記光反射部材の光反射面上に形成されており、
前記窓部材は、特定の入射角以上の角度範囲において前記励起光を反射する光学特性を有することを特徴とする。
Further, the wavelength conversion type light source device of the present invention is a wavelength conversion type light source device that receives the excitation light from the excitation light source and converts the wavelength.
A light reflecting member having a recess having a light reflecting surface formed on the inner surface, and excitation light from an excitation light source disposed so as to close the opening of the recess of the light reflecting member and fluorescence from a phosphor layer described later A light reflecting member formed with a window member from which light is emitted, a phosphor layer that receives excitation light incident through the window member and emits fluorescence, and a light reflecting surface that reflects the excitation light and the fluorescence And is surrounded by a light reflecting surface in the window member and the light reflecting member, thereby forming a wavelength conversion space where the excitation light and the fluorescence intersect,
The phosphor layer is formed on a light reflecting surface of the light reflecting member in the wavelength conversion space,
The window member has an optical characteristic of reflecting the excitation light in an angle range greater than a specific incident angle.
このような波長変換型光源装置においては、前記窓部材は、他の特定の入射角以上の角度範囲において前記蛍光を反射する光学特性を有するものであることが好ましい。 In such a wavelength conversion type light source device, it is preferable that the window member has an optical characteristic of reflecting the fluorescence in an angle range equal to or greater than another specific incident angle.
本発明の波長変換型光源装置においては、前記光反射部材は、熱伝導性を有することが好ましい。
また、前記蛍光体層を構成する蛍光体物質は、波長445nm以下の青色領域の励起光を受けて蛍光を放射するものであることが好ましい。
In the wavelength conversion light source device of the present invention, the light reflecting member preferably has thermal conductivity.
The phosphor material constituting the phosphor layer preferably emits fluorescence upon receiving excitation light in a blue region having a wavelength of 445 nm or less.
本発明の波長変換型光源装置によれば、励起光および蛍光が交錯する波長変換空間を形成する光反射部材における光反射面上に、蛍光体層が形成されているため、光反射部材を構成する材料として熱伝導性を有するものを用いることにより、蛍光体層に生じた熱を光反射部材を介して外部に排熱することが可能であり、従って、蛍光体層を冷却することができるので、高い発光効率が得られる。しかも、発光ホイールやこれを回転させるための回転機構を搭載することが不要であるため、装置の小型化を図ることができる。 According to the wavelength conversion type light source device of the present invention, since the phosphor layer is formed on the light reflection surface of the light reflection member that forms the wavelength conversion space where the excitation light and the fluorescence intersect, the light reflection member is configured. By using a material having thermal conductivity as the material to be used, it is possible to exhaust heat generated in the phosphor layer to the outside through the light reflecting member, and thus the phosphor layer can be cooled. Therefore, high luminous efficiency can be obtained. In addition, since it is not necessary to mount a light emitting wheel or a rotation mechanism for rotating the light emitting wheel, the apparatus can be reduced in size.
以下、本発明の波長変換型光源装置の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る波長変換型光源装置の要部の構成を示す説明用断面図である。この波長変換型光源装置は、励起光源からの励起光L1を受けて波長変換するものであって、内周面に励起光源からの励起光L1および後述する蛍光体層20からの蛍光L2を反射する光反射面10aが形成された矩形の筒状の光反射部材10を備えている。この例の光反射部材10においては、筒状の基体11の内周面に光反射層12が形成されており、この光反射層12によって光反射面10aが形成されている。
光反射部材10の両端には、励起光源からの励起光L1が入射される矩形の板状の励起光入射用窓部材15および後述する蛍光体層20からの蛍光L2が出射される矩形の板状の蛍光出射用窓部材16が、当該光反射部材10の筒孔を介して互いに対向した状態で、当該光反射部材10における両端の開口を塞ぐよう配置されている。
Hereinafter, embodiments of the wavelength conversion type light source device of the present invention will be described.
FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view showing a configuration of a main part of the wavelength conversion type light source device according to the first embodiment of the present invention. This wavelength conversion type light source device receives the excitation light L1 from the excitation light source and converts the wavelength, and reflects the excitation light L1 from the excitation light source and the fluorescence L2 from the
At both ends of the
そして、励起光入射用窓部材15、蛍光出射用窓部材16および光反射部材10における光反射面10aに包囲されることによって、励起光源からの励起光L1および後述する蛍光体層20からの蛍光L2が交錯する波長変換空間Sが形成されている。この波長変換空間S内における光反射部材10の光反射面上には、励起光源からの励起光L1を受けて蛍光L2を放射する蛍光体層20が形成されている。
また、光反射部材10の外周面を形成する4つの平面のうち、1つの平面(図1において下面)には、放熱フィンなどよりなる排熱用部材25が当該光反射部材11に接するよう設けられている。
Then, by being surrounded by the light reflecting surface 10a of the excitation light
Further, of the four planes forming the outer peripheral surface of the
光反射部材10における筒状基体11を構成する材料としては、良好な熱伝導性を有するもの、例えば熱伝導率が100W/m・K以上のものを用いることが好ましく、その具体例としては、アルミニウム、銅などの高熱伝導性金属材料、AlNなどのセラミックス材料を用いることが好ましい。
光反射層12としては、銀、アルミニウムなどの高光反射性金属材料よりなるもの、AlNよりなる粒径がミクロンオーダーの微粒子が堆積されてなるものを用いることができる。光反射層12を形成する方法としては、電解メッキ法、蒸着法などを利用することができる。
As a material constituting the
As the
励起光入射用窓部材15に入射される励起光L1としては、波長445nm以下の青色領域の光を用いることが好ましい。このような励起光L1を放射する励起光源としては、青色発光ダイオード、青色レーザダイオードを用いることができる。
As the excitation light L1 incident on the excitation light
励起光入射用窓部材15は、励起光源からの励起光L1を透過すると共に蛍光体層20からの蛍光L2を反射する光学特性を有するものである。このような励起光入射用窓部材15としては、板状の透光性基体の表面にTiO2 およびSiO2 よりなる誘電体多層膜が形成されてなるものを用いることができる。
例えば励起光L1が、波長445nm以下の青色領域の光で、蛍光体層20からの蛍光L2が、波長500〜570nmの緑色領域の光である場合において、用いられる励起光入射用窓部材15の分光反射特性を模式的に示すと、図2(a)の通りである。図2(a)の分光反射率曲線図において、縦軸は分光反射率(%)を示し、横軸は入射光の波長(nm)を示す。この励起光入射用窓部材15は、波長445nmの光に対して良好な透過性を示し、波長500〜570nmの光に対して良好な反射性を示すものである。
The excitation light
For example, when the excitation light L1 is light in a blue region having a wavelength of 445 nm or less and the fluorescence L2 from the
蛍光出射用窓部材16は、蛍光体層20からの蛍光L2を透過すると共に励起光源からの励起光L1を反射する光学特性を有するものである。このような蛍光出射用窓部材16としては、板状の透光性基体の表面にTiO2 およびSiO2 よりなる誘電体多層膜が形成されてなるものを用いることができる。
例えば励起光L1が、波長445nm以下の青色領域の光で、蛍光体層20からの蛍光L2が、波長500〜570nmの緑色領域の光である場合において、用いられる蛍光出射用窓部材16の分光反射特性を模式的に示すと、図2(b)の通りである。図2(b)の分光反射率曲線図において、縦軸は分光反射率(%)を示し、横軸は入射光の波長(nm)を示す。この蛍光出射用窓部材16は、波長445nmの光に対して良好な反射性を示し、波長500〜570nmの光に対して良好な透過性を示すものである。
The fluorescence
For example, when the excitation light L1 is light in a blue region having a wavelength of 445 nm or less and the fluorescence L2 from the
蛍光体層20としては、例えばシリコーン樹脂よりなるバインダ樹脂中に蛍光体物質が含有されてなるものを用いることができる。
蛍光体層20を構成する蛍光体物質としては、励起光源からの励起光L1、例えば波長445nm以下の青色領域の光を受けて蛍光L2を放射するものが用いられ、特に波長500〜570nmの緑色領域の蛍光L2を放射するものが好ましい。このような蛍光体物質としては、比較的高い温度においても高い強度の蛍光L2が放射される耐熱安定性を有する点で、β−サイアロン系蛍光体、シリケート系蛍光体、YAG系蛍光体を用いることが好ましく、特にβ−サイアロン系蛍光体が好ましい。
As the
As the phosphor material constituting the
図3は、β−サイアロン系蛍光体およびシリケート系蛍光体の各々における温度特性を示す曲線図である。図3において、縦軸は蛍光体による発光強度(相対値)、横軸は蛍光体の温度(℃)を示し、曲線aはβ−サイアロン系蛍光体に係るもの、曲線bはシリケート系蛍光体に係るものを示す。この図に示すように、β−サイアロン系蛍光体およびシリケート系蛍光体は、いずれも100℃以下の温度であれば、強度の高い蛍光が放射されることが理解される。 FIG. 3 is a curve diagram showing temperature characteristics of each of the β-sialon phosphor and the silicate phosphor. In FIG. 3, the vertical axis indicates the emission intensity (relative value) of the phosphor, the horizontal axis indicates the temperature (° C.) of the phosphor, the curve a relates to the β-sialon phosphor, and the curve b indicates the silicate phosphor. The thing concerning is shown. As shown in this figure, it is understood that both the β-sialon phosphor and the silicate phosphor emit high intensity fluorescence when the temperature is 100 ° C. or lower.
蛍光体層20の厚みは、75μm以下であることが好ましく、より好ましくは30〜55μmである。蛍光体層20の厚みが過小である場合には、高い強度の蛍光L2を放射することが困難となることがある。一方、蛍光体層20の厚みが過大である場合には、蛍光体層20における厚み方向の熱抵抗が大きくなるため、当該蛍光体層20に発生した熱を効率よく光反射部材10に伝達することが困難となることがある。
また、蛍光体層20中には、例えばAl2 O3 、MgOなどよりなる熱伝導性粒子が含有されていてもよく、これにより、蛍光体層20に発生した熱を高い効率で光反射部材10に伝達することができる。
The thickness of the
In addition, the
上記の波長変換型光源装置においては、励起光源からの励起光L1が、例えば集束レンズ3を介して励起光入射用窓部材15に入射され、波長変換空間Sを介して直接、または蛍光出射用窓部材16若しくは光反射部材10における光反射面10aに反射された後、蛍光体層20に照射される。 そして、励起光L1が蛍光体層20に照射されることにより、当該蛍光体層20から励起光L1より波長が長い蛍光L2が放射される。この蛍光L2のうち、蛍光出射用窓部材16に向かって進む光は、当該蛍光出射用窓部材16から外部に出射され、光反射部材10に向かって進む光は、当該光反射部材10または励起光入射用窓部材15によって反射された後、蛍光出射用窓部材16から外部に出射される。
一方、励起光源からの励起光L1が蛍光体層20に照射されると、蛍光体層20において励起光L1によるエネルギーの一部が熱エネルギーに変換されるため、当該蛍光体層20に熱が発生するが、この蛍光体層20に生じた熱は、蛍光体層20から光反射部材10を介して排熱用部材25に伝達され、当該排熱用部材25によって外部に排熱され、これにより、蛍光体層20が冷却される。
以上において、蛍光体層20を構成する蛍光体物質として、β−サイアロン系蛍光体またはシリケート系蛍光体等を用いる場合には、当該蛍光体層20の温度が100℃以下に保持されるよう、光反射部材10、蛍光体層20および排熱用部材25が設計されていることが好ましい。
In the wavelength conversion type light source device described above, the excitation light L1 from the excitation light source is incident on the excitation light
On the other hand, when the
In the above, when a β-sialon-based phosphor or a silicate-based phosphor is used as the phosphor material constituting the
上記の波長変換型光源装置によれば、励起光L1および蛍光L2が交錯する波長変換空間Sを形成する光反射部材10における光反射面10a上に、蛍光体層20が形成されているため、光反射部材10を構成する材料として熱伝導性を有するものを用いることにより、蛍光体層20に生じた熱を光反射部材10を介して排熱用部材25から外部に排熱することが可能であり、従って、蛍光体層20を冷却することができるので、高い発光効率が得られる。しかも、発光ホイールやこれを回転させるための回転機構を搭載することが不要であるため、装置の小型化を図ることができる。
また、励起光入射用窓部材15は、励起光L1を透過すると共に蛍光L2を反射する光学特性を有し、蛍光出射用窓部材16は、蛍光L2を透過すると共に励起光を反射する光学特性を有するため、高い光の利用率が得られる。
According to the above wavelength conversion type light source device, since the
The excitation light
図4は、本発明の第2の実施の形態に係る波長変換型光源装置の構成を示す説明図であり、(a)は波長変換型光源装置の斜視図、(b)は波長変換型光源装置における要部の側面図、(c)は波長変換型光源装置における要部を切断して示す正面部分断面図、(d)は波長変換型光源装置における要部を切断して示す側面断面図である。この波長変換型光源装置は、励起光源からの励起光L1を受けて波長変換するものであって、略直方体状の基体11の一面に、内面に励起光源からの励起光L1および後述する蛍光体層20からの蛍光L2を反射する光反射面10aが形成された四角錐台状の凹部Dを有すると共に、当該基体11の一面に垂直な一側面から凹部Dに通ずる貫通孔Kを有する光反射部材10を備えている。この例の光反射部材10においては、基体11の凹部Dの内面に光反射層(図示省略)が形成されており、この光反射層によって光反射面10aが形成されている。 光反射部材10における基体11の一側面には、励起光源からの励起光L1が入射される矩形の板状の励起光入射用窓部材15が当該基体11の貫通孔Kを塞ぐよう配置され、基体11の一面には、後述する蛍光体層20からの蛍光L2が出射される矩形の板状の蛍光出射用窓部材16が、当該基体11の凹部Dの開口を塞ぐよう配置されている。励起光入射用窓部材15は、励起光源からの励起光L1を透過すると共に蛍光体層20からの蛍光L2を反射する光学特性を有するものであり、蛍光出射用窓部材16は、後述する蛍光体層20からの蛍光L2を透過すると共に励起光源からの励起光L1を反射する光学特性を有するものである。
4A and 4B are explanatory views showing the configuration of the wavelength conversion type light source device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 4A is a perspective view of the wavelength conversion type light source device, and FIG. 4B is a wavelength conversion type light source. The side view of the principal part in an apparatus, (c) is a front fragmentary sectional view which cuts and shows the principal part in a wavelength conversion type light source device, (d) is the side sectional view which cuts and shows the principal part in a wavelength conversion type light source device It is. The wavelength conversion type light source device receives the excitation light L1 from the excitation light source and converts the wavelength. The excitation light L1 from the excitation light source on the inner surface of the substantially
そして、励起光入射用窓部材15、蛍光出射用窓部材16および光反射部材10における光反射面10aに包囲されることによって、励起光源からの励起光L1および後述する蛍光体層20からの蛍光L2が交錯する波長変換空間Sが形成されており、この波長変換空間S内における光反射部材10の光反射面10a上には、励起光源からの励起光L1を受けて蛍光L2を放射する蛍光体層20が形成されている。また、光反射部材10における励起光入射用窓部材15が配置された一側面とは反対側の他側面には、放熱フィンなどよりなる排熱用部材25が当該光反射部材10に接するよう設けられている。
Then, by being surrounded by the light reflecting surface 10a of the excitation light
この第2の実施の形態に係る波長変換型光源装置において、光反射部材10における筒状基体11および光反射層を構成する材料、励起光入射用窓部材15および蛍光出射用窓部材16を構成する材料、並びに蛍光体層20を構成する材料および厚みは、第1の実施の形態に係る波長変換型光源装置におけるものと同様である。
In the wavelength conversion type light source device according to the second embodiment, the material constituting the
上記の波長変換型光源装置においては、励起光源からの励起光L1が、励起光入射用窓部材15に入射され、波長変換空間Sを介して直接、または蛍光出射用窓部材16若しくは光反射部材10における光反射面10aに反射された後、蛍光体層20に照射される。 そして、励起光L1が蛍光体層20に照射されることにより、当該蛍光体層20から励起光L1より波長が長い蛍光L2が放射される。この蛍光L2のうち、蛍光出射用窓部材16に向かって進む光は、当該蛍光出射用窓部材16から外部に出射され、光反射部材10に向かって進む光は、当該光反射部材10または励起光入射用窓部材15によって反射された後、蛍光出射用窓部材16から外部に出射される。
一方、励起光源からの励起光L1が蛍光体層20に照射されると、蛍光体層20において励起光L1によるエネルギーの一部が熱エネルギーに変換されるため、当該蛍光体層20に熱が発生するが、この蛍光体層20に生じた熱は、蛍光体層20から光反射部材10を介して排熱用部材25に伝達され、当該排熱用部材25によって外部に排熱され、これにより、蛍光体層20が冷却される。
In the wavelength conversion light source device described above, the excitation light L1 from the excitation light source is incident on the excitation light
On the other hand, when the
上記の波長変換型光源装置によれば、励起光L1および蛍光L2が交錯する波長変換空間Sを形成する光反射部材10における光反射面10a上に、蛍光体層20が形成されているため、光反射部材10を構成する材料として熱伝導性を有するものを用いることにより、蛍光体層20に生じた熱を光反射部材10を介して排熱用部材25から外部に排熱することが可能であり、従って、蛍光体層20を冷却することができるので、高い発光効率が得られる。しかも、発光ホイールやこれを回転させるための回転機構を搭載することが不要であるため、装置の小型化を図ることができる。
また、励起光入射用窓部材15は、励起光L1を透過すると共に蛍光L2を反射する光学特性を有し、蛍光出射用窓部材16は、蛍光L2を透過すると共に励起光を反射する光学特性を有するため、高い光の利用率が得られる。
According to the above wavelength conversion type light source device, since the
The excitation light
図5は、本発明の第3の実施の形態に係る波長変換型光源装置の要部の構成を示す説明用断面図である。この波長変換型光源装置は、励起光源からの励起光L1を受けて波長変換するものであって、略直方体状の基体11の一面に、内面に励起光源からの励起光L1および後述する蛍光体層20からの蛍光L2を反射する光反射面10aが形成された部分球面状または部分楕円球面状の凹部Dを有する光反射部材10を備えている。この例の光反射部材10においては、基体11の凹部Dの内面に光反射層(図示省略)が形成されており、この光反射層によって光反射面10aが形成されている。
光反射部材10における基体11の一面には、励起光源からの励起光L1が入射されると共に、後述する蛍光体層20からの蛍光L2が出射される矩形の板状の窓部材17が、当該基体11の凹部Dの開口を塞ぐよう配置されている。
FIG. 5 is an explanatory cross-sectional view showing the configuration of the main part of the wavelength conversion type light source device according to the third embodiment of the present invention. The wavelength conversion type light source device receives the excitation light L1 from the excitation light source and converts the wavelength. The excitation light L1 from the excitation light source on the inner surface of the substantially
A rectangular plate-
そして、窓部材17および光反射部材10における光反射面10aに包囲されることによって、励起光源からの励起光L1および後述する蛍光体層20からの蛍光L2が交錯する波長変換空間Sが形成されており、この波長変換空間S内における光反射部材10の光反射面10a上には、励起光源からの励起光L1を受けて蛍光L2を放射する蛍光体層20が形成されている。また、光反射部材10における窓部材17が配置された一面とは反対側の他面には、放熱フィンなどよりなる排熱用部材25が当該光反射部材10に接するよう設けられている。
Then, by being surrounded by the light reflecting surface 10a of the
この第3の実施の形態に係る波長変換型光源装置において、光反射部材10における筒状基体11および光反射層を構成する材料、並びに蛍光体層20を構成する材料および厚みは、第1の実施の形態に係る波長変換型光源装置におけるものと同様である。
In the wavelength conversion type light source device according to the third embodiment, the material constituting the
窓部材17は、蛍光体層20から放射される蛍光L2を透過すると共に、特定の入射角以上の角度範囲において励起光源からの励起光L1を反射し、かつ、特定の入射角未満の角度範囲においてレーザ光による励起光L1を透過する光学特性を有するものである。ここで、特定の入射角以上の角度範囲、すなわち励起光源からの励起光L1を反射し得る入射角の範囲は、30〜90°であることが好ましく、より好ましくは20〜90°である。特定の入射角すなわち励起光源からの励起光L1を反射し得る入射角の下限が過大である場合には、窓部材17を介して出射される励起光L1の光量が大きくなるため、励起光L1を高い効率で波長変換することが困難となることがある。
このような窓部材17としては、板状の透光性基体の表面にTiO2 およびSiO2 よりなる誘電体多層膜が形成されてなるものを用いることができる。
The
As such a
また、窓部材17は、他の特定の入射角以上の角度範囲において蛍光体層20から放射される蛍光L2を反射する光学特性を有するものであることが好ましい。ここで、他の特定の入射角以上の角度範囲、すなわち蛍光体層20から放射される蛍光L2を反射し得る入射角の範囲は、例えば55〜90°であることが好ましい。このような構成によれば、蛍光体層20から放射される蛍光L2のうち、窓部材17に対して他の特定の入射角未満の角度範囲で入射されたもののみが当該窓部材17を介して外部に出射されるため、指向性の高い光が得られる。
Moreover, it is preferable that the
例えば励起光L1が、波長445nm以下の青色領域の光で、蛍光体層20からの蛍光L2が、波長500〜570nmの緑色領域の光である場合において、用いられる窓部材17の分光反射特性を模式的に示すと、図6の通りである。図6の分光反射率曲線図において、縦軸は分光反射率(%)、横軸は入射光の波長(nm)を示し、実線a,a’は、入射角が0°のときの分光反射率曲線、破線b,b’は、入射角が30°のときの分光反射率曲線、破線c,c’は、入射角が55°のときの分光反射率曲線を示す。この窓部材17は、入射角が0°のときに、波長445nmの光および波長500〜570nmの光に対して良好な透過性を示し、入射角が30°のときに、波長445nmの光に対して良好な反射性を示すと共に波長500〜550nmの光に対して良好な透過性を示し、入射角が55°のときに、波長520〜570nmの光に対して良好な反射性を示すものである。
For example, when the excitation light L1 is light in the blue region with a wavelength of 445 nm or less and the fluorescence L2 from the
上記の波長変換型光源装置においては、励起光源からの励起光L1が、特定の入射角未満の角度範囲で窓部材17に入射され、波長変換空間Sを介して直接、または窓部材17若しくは光反射部材10における光反射面10aに反射された後、蛍光体層20に照射される。そして、励起光L1が蛍光体層20に照射されることにより、当該蛍光体層20から励起光L1より波長が長い蛍光L2が放射される。この蛍光L2のうち、他の特定の入射角未満の角度範囲で窓部材17に入射した光は、当該窓部材17から外部に出射され、蛍光L2のうち、他の特定の入射角以上の角度範囲で窓部材17に入射した光は、当該窓部材17および光反射部材10の光反射面10aによって反射された後、窓部材17から外部に出射される。
一方、励起光源からの励起光L1が蛍光体層20に照射されると、蛍光体層20において励起光L1によるエネルギーの一部が熱エネルギーに変換されるため、当該蛍光体層20に熱が発生するが、この蛍光体層20に生じた熱は、蛍光体層20から光反射部材10を介して排熱用部材25に伝達され、当該排熱用部材25によって外部に排熱され、これにより、蛍光体層20が冷却される。
In the wavelength conversion type light source device described above, the excitation light L1 from the excitation light source is incident on the
On the other hand, when the
上記の波長変換型光源装置によれば、励起光L1および蛍光L2が交錯する波長変換空間Sを形成する光反射部材10における光反射面10a上に、蛍光体層20が形成されているため、光反射部材10を構成する材料として熱伝導性を有するものを用いることにより、蛍光体層20に生じた熱を光反射部材10を介して排熱用部材25から外部に排熱することが可能であり、従って、蛍光体層20を冷却することができるので、高い発光効率が得られる。しかも、発光ホイールやこれを回転させるための回転機構を搭載することが不要であるため、装置の小型化を図ることができる。
また、窓部材17は、特定の入射角以上の角度範囲において励起光L1を反射する光学特性を有するため、高い光の利用率が得られる。
また、窓部材17が、他の特定の入射角以上の角度範囲において蛍光L2を反射する光学特性を有することにより、指向性の高い光を出射することができる。
According to the above wavelength conversion type light source device, since the
Further, since the
Further, since the
以下、本発明の波長変換型光源装置の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
図5に示す構成に従い、下記の仕様の波長変換型光源装置を作製した。
〔励起光源〕
励起光源は、波長445nmの光を放射する青色発光ダイオードで、その出力が30Wのものである。
〔光反射部材〕
基体の材質は銅で、基体全体の寸法は、縦幅が20mm、横幅が10mm、奥行きが5mmである。凹部は、長軸の長さが7.9mm、短軸の長さが5.4mmの楕円球による部分楕円球面を有し、長軸に沿った断面において、楕円球の中心点から凹部の開口縁を結ぶ2つの直線のなす角が120°のものである。また、凹部の内面(光反射面)は、銀よりなる厚みが数百ナノメートルの光反射層によって形成されている。
〔窓部材〕
窓部材は、図7に示す分光反射特性を有するものである。図7において、縦軸は入射光の分光反射率(%)、横軸は入射光の波長(nm)を示し、曲線aは、入射角が0°のときの分光反射率曲線、曲線bは、入射角が20°のときの分光反射率曲線、曲線cは、入射角が30°のときの分光反射率曲線を示す。
〔蛍光体層〕
蛍光体層は、シリコーン樹脂中にβ−サイアロン系蛍光体が含有されてなり、その厚みが40μmである。
Specific examples of the wavelength conversion light source device of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
According to the configuration shown in FIG. 5, a wavelength conversion type light source device having the following specifications was produced.
[Excitation light source]
The excitation light source is a blue light emitting diode that emits light having a wavelength of 445 nm, and its output is 30 W.
(Light reflecting member)
The base material is copper, and the overall dimensions of the base are 20 mm in length, 10 mm in width, and 5 mm in depth. The concave portion has a partial ellipsoidal sphere formed by an elliptical sphere having a major axis length of 7.9 mm and a minor axis length of 5.4 mm. In the cross section along the major axis, the concave portion opens from the center point of the elliptical sphere. The angle between two straight lines connecting the edges is 120 °. Further, the inner surface (light reflecting surface) of the recess is formed by a light reflecting layer made of silver and having a thickness of several hundred nanometers.
(Window member)
The window member has spectral reflection characteristics shown in FIG. In FIG. 7, the vertical axis represents the spectral reflectance (%) of incident light, the horizontal axis represents the wavelength (nm) of incident light, the curve a represents the spectral reflectance curve when the incident angle is 0 °, and the curve b represents The spectral reflectance curve when the incident angle is 20 °, and the curve c show the spectral reflectance curve when the incident angle is 30 °.
(Phosphor layer)
The phosphor layer is made of a silicone resin containing a β-sialon phosphor and has a thickness of 40 μm.
上記の波長変換型光源装置における窓部材から出射される蛍光の光量を、図8に示す測定系を用い、以下のようにして測定した。
ファン7によって、波長変換型光源装置における排熱用部材25に冷却風を供給しながら、励起光源からの励起光を、その光路上に配置された、コリメータレンズ1、45°の角度に傾斜した光フィルタ2および集束レンズ3を介して波長変換型光源装置における窓部材17に入射した。ここで、光フィルタ2は、励起光源からの励起光を透過し、蛍光体層20からの蛍光を反射する光学特性を有するものである。そして、波長変換型光源装置における窓部材17から出射した蛍光を、光フィルタ2および集束レンズ系4を介して積分球5内に入射し、当該積分球5に設けられた受光器(図示省略)により、当該蛍光の光量を測定したところ、4000Lm(発光効率が133Lm/W)であり、高い効率で蛍光が放射されることが確認された。また、窓部材17への励起光の入射を開始してから10分間経過した後に、窓部材17から出射した蛍光の光量を測定したところ、蛍光の光量は大きな変化がなく安定に維持されていることが確認された。
The light quantity of the fluorescence emitted from the window member in the wavelength conversion type light source device was measured as follows using the measurement system shown in FIG.
While the cooling air is supplied to the
上記の波長変換型光源装置に基づき、熱構造解析により、蛍光体層の厚みを変化させたときの蛍光体層の表面温度のシミュレーションを行い、蛍光体層の表面温度と蛍光体層との厚みとの関係を調べた。結果を図9に示す。図9において、縦軸は蛍光体層の表面温度(℃)、横軸は蛍光体層の厚みを示し、aは光反射部材の背面(図8において右面)の温度が30℃のときのもの、bは光反射部材の背面の温度が0℃のときのものである。この図から、蛍光体層の表面温度は、蛍光体層の厚みによって変化することが理解される。
また、光反射部材の背面の温度が30℃のときの蛍光体層の表面温度のシミュレーションを行ったところ、厚みが55μm以下の蛍光体層を形成することにより、蛍光体層の表面温度が100℃以下に維持されることが確認された。
Based on the wavelength conversion type light source device, the surface temperature of the phosphor layer is simulated by changing the thickness of the phosphor layer by thermal structure analysis, and the surface temperature of the phosphor layer and the thickness of the phosphor layer. I investigated the relationship with. The results are shown in FIG. In FIG. 9, the vertical axis indicates the surface temperature (° C.) of the phosphor layer, the horizontal axis indicates the thickness of the phosphor layer, and a indicates the temperature when the temperature of the back surface (right side in FIG. 8) of the light reflecting member is 30 ° C. , B are those when the temperature of the back surface of the light reflecting member is 0 ° C. From this figure, it is understood that the surface temperature of the phosphor layer varies depending on the thickness of the phosphor layer.
Further, when the surface temperature of the phosphor layer when the temperature of the back surface of the light reflecting member was 30 ° C. was simulated, the surface temperature of the phosphor layer was 100 by forming the phosphor layer having a thickness of 55 μm or less. It was confirmed that the temperature was maintained below ℃.
1 コリメータレンズ
2 光フィルタ
3 集束レンズ
4 集束レンズ系
5 積分球
7 ファン
10 光反射部材
10a 光反射面
11 基体
12 光反射層
15 励起光入射用窓部材
16 蛍光出射用窓部材
17 窓部材
20 蛍光体層
25 排熱用部材
D 凹部
K 貫通孔
L1 励起光
L2 蛍光
S 波長変換空間
DESCRIPTION OF
Claims (7)
励起光源からの励起光が入射される励起光入射用窓部材と、この励起光入射用窓部材を介して入射された励起光を受けて蛍光を放射する蛍光体層と、この蛍光体層からの蛍光が出射される蛍光出射用窓部材と、前記励起光および前記蛍光を反射する光反射面が形成された光反射部材とを有すると共に、前記励起光入射用窓部材、前記蛍光出射用窓部材および前記光反射部材における光反射面に包囲されることによって、前記励起光および前記蛍光が交錯する波長変換空間が形成されてなり、
前記蛍光体層は、前記波長変換空間内における前記光反射部材の光反射面上に形成されており、
前記励起光入射用窓部材は、前記励起光を透過すると共に前記蛍光を反射する光学特性を有し、前記蛍光出射用窓部材は、前記蛍光を透過すると共に前記励起光を反射する光学特性を有することを特徴とする波長変換型光源装置。 In the wavelength conversion type light source device that receives the excitation light from the excitation light source and converts the wavelength,
From the excitation light incident window member into which the excitation light from the excitation light source is incident, a phosphor layer that emits fluorescence upon receiving the excitation light incident through the excitation light incident window member, and from the phosphor layer A fluorescence emission window member from which the fluorescence is emitted, and a light reflection member on which the excitation light and a light reflection surface for reflecting the fluorescence are formed, the excitation light incidence window member, and the fluorescence emission window By being surrounded by the light reflecting surface of the member and the light reflecting member, a wavelength conversion space where the excitation light and the fluorescence intersect is formed,
The phosphor layer is formed on a light reflecting surface of the light reflecting member in the wavelength conversion space,
The excitation light incident window member has an optical characteristic of transmitting the excitation light and reflecting the fluorescence, and the fluorescence emission window member has an optical characteristic of transmitting the fluorescence and reflecting the excitation light. A wavelength conversion type light source device comprising:
内面に光反射面が形成された凹部を有する光反射部材と、この光反射部材の凹部の開口を塞ぐよう配置された、励起光源からの励起光が入射されると共に後記蛍光体層からの蛍光が出射される窓部材と、この窓部材を介して入射された励起光を受けて蛍光を放射する蛍光体層と、前記励起光および前記蛍光を反射する光反射面が形成された光反射部材とを有すると共に、前記窓部材および前記光反射部材における光反射面に包囲されることによって、前記励起光および前記蛍光が交錯する波長変換空間が形成されてなり、
前記蛍光体層は、前記波長変換空間内における前記光反射部材の光反射面上に形成されており、
前記窓部材は、特定の入射角以上の角度範囲において前記励起光を反射する光学特性を有することを特徴とする波長変換型光源装置。 In the wavelength conversion type light source device that receives the excitation light from the excitation light source and converts the wavelength,
A light reflecting member having a recess having a light reflecting surface formed on the inner surface, and excitation light from an excitation light source disposed so as to close the opening of the recess of the light reflecting member and fluorescence from a phosphor layer described later A light reflecting member formed with a window member from which light is emitted, a phosphor layer that receives excitation light incident through the window member and emits fluorescence, and a light reflecting surface that reflects the excitation light and the fluorescence And is surrounded by a light reflecting surface in the window member and the light reflecting member, thereby forming a wavelength conversion space where the excitation light and the fluorescence intersect,
The phosphor layer is formed on a light reflecting surface of the light reflecting member in the wavelength conversion space,
The wavelength conversion type light source device, wherein the window member has an optical characteristic of reflecting the excitation light in an angle range greater than a specific incident angle.
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